Fortschritte bei der Bearbeitung von CFK mit dem Laser

Herr Völkermeyer, wo sehen Sie die Hauptprobleme beim Schneiden von CFK mit dem Laser?

Die sehe ich im Wesentlichen darin, dass dieses Material nicht homogen ist. Da sind zum einen die abrieb- und zugfesten Kohlefasern und da ist zum anderen das relativ weiche Kunststofffüllmaterial, die sogenannte Matrix mit einem viel geringeren Schmelzpunkt. Das Problem ist, dass Sie eine hohe Intensität in das Material einbringen müssen, um die Kohlefaser schneiden zu können. Dabei verdampft die Kunststoff-Matrix explosionsartig. Saubere Schnittkanten sind so nicht zu erreichen.

Warum werden erst jetzt die Forschungsaktivitäten intensiviert, um das Problem in den Griff zu bekommen?

Die Laserbearbeitung von CFK ist bereits vor 20 Jahren untersucht worden. Natürlich geschah das mit den damals zur Verfügung stehenden Lasern wie Highpower-Laser mit langen Pulsdauern und in der Regel mit einer sehr langen Wellenlänge wie sie bei CO-Lasern vorliegen. Hier absorbieren die Polymere gut. Allerdings wurde sehr viel Wärme eingebracht. Dabei wird das Material zerstört, es delaminiert, die einzelnen Schichten lösen sich voneinander ab. Das, was den Verbundstoff auszeichnet, nämlich leicht und zugfest zu sein, geht dabei verloren.

Heute stehen durch die rasanten Entwicklungen in der Lasertechnik ganz andere Quellen zur Verfügung. Zudem ist das Thema Leichtbau und damit auch CFK erst vor wenigen Jahren wieder in den Fokus des Interesses gerückt. Insbesondere durch die Klimadebatte ist heute ein regelrechter „CFK-hype“ entstanden – der verbesserte Fördermöglichkeiten für Forschungsprojekte mit sich bringt.

Und wie wollen Sie heute das Problem lösen?

Da gibt es verschiedene Ansätze. Heute arbeiten wir mit verbesserten Quellen, die in den letzten Jahren und Jahrzehnten entwickelt worden sind. So werden auf der einen Seite immer noch Highpower-Laser eingesetzt, die jetzt aber eine viel höhere Brillanz haben. Die Strahlqualität ist sehr hoch, man kann den Strahl auf einen kleinen Spot fokussieren. Die Intensität ist dabei so hoch, dass in dem Bereich alles verdampft oder aufschmilzt und ausgetrieben wird.

Und auf der anderen Seite?

Es kommen Laser zum Einsatz, die eine sehr kurze Wellenlänge bis hinunter in den UV-Bereich besitzen. Die Strahlung wird daher sowohl in der Kohlefaser als auch im Matrixmaterial sehr gut absorbiert und bringt kaum Wärme in das umliegende Material ein. Die Schnittergebnisse sind hier sehr gut. Ein Nachteil liegt jedoch darin, dass diese Laser nur eine geringe mittlere Leistung besitzen, welches zu geringen Prozessgeschwindigkeiten führt. Von Vorteil ist, dass UV-Laser in der Regel eine sehr kurze Pulsdauer haben. Betrachtet man den Nano- oder Pikosekundenbereich, wird die Energie über eine so kurze Zeit verteilt, dass eine hohe Intensität erreicht wird und ein sauberer Abtrag erfolgt. Der eigentliche Trick liegt also darin, sehr viel Energie genau dorthin zu bringen, wo man abtragen oder schneiden will und in das Umfeld des Materials keine Wärme eingebracht wird. Das ist es, was wir ausprobieren müssen.

Reicht die Qualität der Schneidkanten aus oder muss nachgearbeitet werden?

Das kommt natürlich immer auf die Ansprüche des Anwenders an. So bestehen zum Beispiel im Flugzeugbau sehr hohe Sicherheitsstandards. Dort wird es momentan und auch in mittlerer Zukunft nicht möglich sein, mit Highpower-Lasern solche Schnitte zu machen, die einigermaßen zulässige Prozessgeschwindigkeiten erlauben. Da müsste dann nachbearbeitet werden, durch Fräsen oder Schleifen. Im Automobilbau hingegen liegen die Qualitätsnormen niedriger. Hier gibt es schon Unternehmen, die die Laserbearbeitung von CFK-Bauteilen, wie etwa Sitzschalen, in Serie einsetzen.

Von welchen Genauigkeiten kann man bei der Bearbeitung mit dem Laser ausgehen?

Jetzt müssen wir unterscheiden zwischen dem Schneiden, dem Bohren oder der Oberflächenbearbeitung. Das sind unterschiedliche Applikationen, die auch unterschiedliche Möglichkeiten und Genauigkeiten zulassen. Beim Bohren kleiner Löcher kann man sehr genau werden. Aber auch hier hat man an den Schnittkanten eine gewisse Wärmeinflusszone. In der Regel bildet sich die Matrix dort geringfügig zurück, d. h., die Faserenden stehen ein wenig vor. Mit speziellen Lasern ist es aber auch hier möglich, auf einige tausendstel Millimeter genau zu arbeiten. Das ist jedoch sehr aufwendig. Und das funktioniert auch nur bei geringen Tiefen der Löcher.

Wie sehen Sie den Laser im Wettbewerb mit dem Wasserstrahlschneiden bei der Bearbeitung von CFK?

Das sind unterschiedliche Technologien, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Wenn es zum Beispiel um das Trennen dickerer Laminate geht, sagen wir größer als vier Millimeter, da ist die Schnittqualität des Wasserstrahlschneidens momentan sicher nicht zu schlagen. Diese Qualität wird man mit dem Laser nur schwer erreichen können. Da liegt allerdings auch nicht unsere Zielapplikation. Oder nehmen Sie eine Kombination von Titan mit CFK, wie sie im Flugzeugbau verwendet wird. Auf Grund der unterschiedlichen Abtragsschwellen ist dieser Materialmix mit dem Laser kaum zu bearbeiten. Das ist auch für den Wasserstrahl nicht einfach, aber in Grenzen machbar. Von daher gibt es Bereiche, in denen der Wasserstrahl wirklich konkurrenzlos ist.

Und wo sehen Sie den Laser vorne?

Das Wasserstrahlschneiden ist nur sehr bedingt zum Schneiden von definierten Tiefen, sogenannten Blindholes, oder für Reparaturen geeignet, bei denen definierte Materialdicken abzutragen sind. Ein schichtweiser Abtrag ist zwar eingeschränkt möglich, allerdings ist es sehr schwierig, eine präzise Abtragstiefe einzustellen. Hierbei oder bei Arbeiten mit verschiedenen Flankenwinkeln oder beim Einbringen von Blindholes ist der Laser ganz klar im Vorteil. Weiteres Alleinstellungsmerkmal des Lasers sind die Oberflächenaktivierung, die beispielsweise für nachfolgende Klebeprozesse wichtig ist, oder der selektive Abtrag des Matrixmaterials ohne Schädigung der Fasern. Die beiden Technologien stehen also zum Teil im Wettbewerb, haben aber auch beide ihre Nischenberechtigung.

Dr. Rolf Langbein Fachjournalist in Rottenburg

Weitere Informationen: www.lzh.de